CN101886251A - 电磁场辅助的金属有机物化学气相沉积 - Google Patents

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王亮
胡少林
陈倩翌
朱海科
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Abstract

一种电磁场辅助的金属有机物化学气相沉积设备，包括：反应腔、喷淋装置、衬底载片台、石墨盘、电极，其特征在于在金属有机物化学气相沉积设备的喷淋口上增设上电极，在石墨盘侧边或底边增设下电极，上电极与下电极构成平板电容结构，形成垂直于衬底表面的电场。用该设备可以调节和控制半导体外延薄膜生长极性。本发明利用恒定或者交变的电场(或磁场)对生长中的III族氮化物材料极性程度进行调节，同时赋予掺杂原子额外能量，获得高载流子浓度的掺杂III族氮化物薄膜材料。通过引入电场和磁场提高III族氮化物外延材料掺杂效率，对样品无污染，而且成品率高，可应用在大规模生产中。

Description

电磁场辅助的金属有机物化学气相沉积
技术领域
本发明涉及一种半导体材料制备技术领域，特别涉及一种电磁场辅助的金属有机物化学气相沉积设备以及应用该设备对半导体外延薄膜生长极性的调节控制方法。
背景技术
近些年来，化合物半导体材料，尤其是III-V族化合物材料作为研制光电子和微电子器件的新型半导体材料受到研究人员的广泛关注，在固态照明、光显示、激光打印、光信息存储等民用和国防安全领域有着广阔的应用前景。目前，氮化镓及其相关半导体器件的研究取得了非常大的进展，例如GaN、InP基发光二极管(LED)、激光器(LD)等都基本实现了商业化生产。
目前用于制备III-V族化合物半导体材料的方法有分子束外延(MBE)、氢化物气相外延(HVPE)和金属有机物化学气相沉积(MOCVD)等。MOCVD技术由于具有生长速度快，外延层组分与性质可控性强，量产能力高以及外延片平整性好等优点，成为III-V族化合物半导体材料和器件最主要、最有效和最广泛的生长制备技术，受到半导体工业界的广泛重视。
发明内容
本发明的目的是提供一种电磁场辅助的金属有机物化学气相沉积设备以及应用该设备对半导体外延薄膜生长极性的调节和控制方法。本发明包括：反应腔、喷淋口装置、喷淋冷却液体进口、衬底载片台、石墨盘、石墨盘支承轴、电极，其特征在于：在金属有机物化学气相沉积设备的喷淋口上增设上电极，在石墨盘侧边或底边增设下电极，上电极与下电极构成平板电容结构，形成垂直于衬底表面的电场。用该设备对半导体外延薄膜生长极性的调节和控制方法包含下列步骤：
(1)将衬底送入金属有机物化学气相沉积设备中，在衬底上生长本征或掺杂III族氮化物外延薄膜材料；
(2)在生长外延薄膜的过程中，通过施加恒定或交变电场和磁场，调节外延薄膜材料极性程度，可获得非极性或半极性外延材料；
(3)在生长p型或n型掺杂III族氮化物外延薄膜时，通过施加恒定或交变电场和磁场，调节外延薄膜极性程度，实现高掺杂效率III族氮化物外延薄膜合成。
本发明的优点是利用恒定或者交变的电场(或磁场)对生长中的III族氮化物材料极性程度进行调节，同时赋予掺杂原子额外能量，获得高载流子浓度的掺杂III族氮化物薄膜材料。通过引入电场和磁场提高III族氮化物外延材料掺杂效率，对样品无污染，而且成品率高，可应用在大规模生产中。
附图说明
图1本实用新型的结构剖视示意图；
图2下电极安装在石墨盘侧边的结构剖视示意图；
图3下电极安装在石墨盘侧边并装有高温绝缘环的结构剖视示意图；
图4下电极为两个半环的俯视结构示意图；
图5下电极为三个三分之一环的俯视结构示意图；
图6本发明的生长工艺流程框图。
图中：10反应腔、11载气进气管道、12喷淋口、13上电极、14喷淋冷却液体进口、15衬底载片台、16石墨盘、17石墨盘支承轴、18下电极、19下电极、20耐高温绝缘环、21下电极、21-1下电极、21-2下电极、21-3下电极。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的实施例：
实施例一
参见图1、图2，MOCVD设备由反应腔10、载气进气管道11、喷淋口12、上电极13、喷淋冷却液体进口14、衬底载片台15、石墨盘16、石墨盘支承轴17、下电极18或下电极19组成。制备蓝宝石衬底非极性氮化镓外延薄膜采用C面蓝宝石衬底，厚度为475微米，直径为2寸。将此衬底送入MOCVD设备的反应腔10。将反应室温度升至900℃，对衬底表面进行脱附处理。反应室温度升至1050℃，生长高温氮化镓外延薄膜层，厚度为2微米。在上述外延生长过程中，通过MOCVD设备，对外延薄膜施加强电场，电场和磁场强度范围为0.1V/m 10000V/m，交变电场的波形为正弦波或三角波或方波或脉冲波，输入电流源为两相交流电或多相交流电。生长完毕，得到非极性氮化镓外延薄膜。MOCVD设备的喷淋口上增设上电极13，由钼等高熔点金属材料制作的下电极18或下电极19制作成一个圆环或者多匝线圈安装在石墨盘16的侧边或底边，上电极13与下电极18或下电极19构成平板电容结构，形成垂直于衬底表面的电场。用本发明的设备对半导体外延薄膜生长极性的调节和控制方法包含下列步骤：(参见图6)
(1)将此衬底送入MOCVD设备中，在衬底上生长本征或掺杂III族氮化物外延薄膜材料；
(2)在生长外延薄膜的过程中，通过施加恒定或交变电场和磁场，调节外延薄膜材料极性程度，可获得非极性或半极性外延材料；
(3)在生长p型或n型掺杂III族氮化物外延薄膜时，通过施加恒定或交变电场和磁场，调节外延薄膜极性程度，实现高掺杂效率III族氮化物外延薄膜合成。
实施例二
实施例二与实施例一相同，所不同是制备的衬底为蓝宝石衬底n型氮化镓外延薄膜。生长高温氮化镓外延薄膜缓冲层，厚度为2微米。然后通入硅烷，生长n型氮化镓材料，厚度为2微米，电场强度为100V/m。在n型氮化镓外延生长过程中，通过MOCVD设备得到高载流子浓度的n型氮化镓外延薄膜。
实施例三
参见图3、图4、图5，实施例一相同，所不同是下电极21由钼等高熔点金属材料制作成两个半环的下电极21-1、下电极21-2经耐高温绝缘环20安装在石墨盘16周围。或者，下电极21由钼等高熔点金属材料制作成三个三分之一环形状的下电极21-1、下电极21-2、下电极21-3经耐高温绝缘环安装在石墨盘16周围。制备的衬底为蓝宝石衬底p型氮化镓外延薄膜。在生产过程中通入Cp2Mg，生长p型氮化镓材料，厚度为0.5微米，电场强度为100V/m。在p型氮化镓外延生长过程中，通过MOCVD设备得到本发明的高载流子浓度的p型氮化镓外延薄膜。

Claims (6)

1.一种电磁场辅助的金属有机物化学气相沉积设备，包括：反应腔、喷淋口装置、喷淋冷却液体进口、衬底载片台、石墨盘、石墨盘支承轴、电极，其特征在于：在金属有机物化学气相沉积设备的喷淋口上增设上电极，在石墨盘侧边或底边增设下电极，上电极与下电极构成平板电容结构，形成垂直于衬底表面的电场。
2.根据权利要求1所述的电磁场辅助的金属有机物化学气相沉积设备，其特征在于所述上电极、下电极由高熔点金属材料制成，下电极制作成一个圆环或者多匝线圈安装在石墨盘的侧边或底边。
3.根据权利要求2所述的电磁场辅助的金属有机物化学气相沉积设备，其特征在于所述下电极制作成两个半环经耐高温绝缘环安装在石墨盘周围。
4.根据权利要求2所述的电磁场辅助的金属有机物化学气相沉积设备，其特征在于所述下电极制作成三个三分之一环形状的电极经耐高温绝缘环安装在石墨盘周围。
5.根据权利要求1所述的电磁场辅助的金属有机物化学气相沉积设备，其特征在于所述，交变电场的波形为正弦波或三角波或方波或脉冲波，输入电流源为两相交流电或多相交流电。
6.用权利要求1所述的设备控制和调节半导体外延薄膜生长极性的方法，其步骤为：
(1)将衬底送入金属有机物化学气相沉积设备中，在衬底上生长本征或掺杂III族氮化物外延薄膜材料；
(2)在生长外延薄膜的过程中，通过施加恒定或交变电场和磁场，调节外延薄膜材料极性程度，获得非极性或半极性外延材料；
(3)在生长p型或n型掺杂I I I族氮化物外延薄膜时，通过施加恒定或交变电场和磁场，调节外延薄膜极性程度，实现高掺杂效率III族氮化物外延薄膜合成。
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